WO2010121970A1 - Rotierende elektrische maschine, insbesondere doppelt gespeiste asynchronmaschine im leistungsbereich zwischen 20 mva und über 500 mva - Google Patents

Rotierende elektrische maschine, insbesondere doppelt gespeiste asynchronmaschine im leistungsbereich zwischen 20 mva und über 500 mva Download PDF

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Serdar Cifyildiz
Hanspeter Walser
Bruno Meyer
Ricardo Okai
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    • H—ELECTRICITY
    • H02—GENERATION; CONVERSION OR DISTRIBUTION OF ELECTRIC POWER
    • H02K—DYNAMO-ELECTRIC MACHINES
    • H02K1/00—Details of the magnetic circuit
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
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    • H02K1/22—Rotating parts of the magnetic circuit
    • H02K1/28—Means for mounting or fastening rotating magnetic parts on to, or to, the rotor structures

Definitions

  • the present invention relates to the field of generating electrical energy. It relates to a rotary electric machine, in particular double-fed asynchronous machine in a power range between 20 MVA and 500 MVA or above, according to the preamble of claim 1.
  • Double-fed asynchronous machines in the power range from 20 MVA to 500 MVA or above can be used for variable-speed energy production. These machines are characterized by a distributed three-phase winding on the rotor.
  • the rotor winding consists of individual rods, which in the Rotor laminated core are embedded in grooves. In the winding head, the individual rods are connected to form a winding.
  • the infeed of the streams takes place via at least three slip rings, which are fastened to the shaft at the end of the machine.
  • FIG. 1 A section of such a machine is shown in FIG. 1 in a greatly simplified form.
  • the asynchronous machine shown in Fig. 1 The asynchronous machine shown in Fig. 1
  • the rotor laminated body 14 is concentrically surrounded by a laminated stator core 15, in which a stator winding is housed, which projects at the end of the body with a Statorwickelkopf 17 to the outside.
  • the rotor laminated body 14 is reproduced enlarged in Fig. 2 in the neck.
  • the rotor laminated core serves to absorb these forces and at the same time defines the path of the magnetic flux.
  • the Hilfsrim 20 serves to receive the centrifugal forces acting on the rotor winding head 16.
  • the Hilfsrim 20, as well as the rotor plate body 14, consist of layered sheets, which are pressed in the axial direction to form a composite. It is known here to use a press plate 19 which distributes the pressing pressure applied by bolts 21, 22 to the laminations of the rotor lamination stack (see, for example, DE-A1-195 13 457 or DE-A1-10 2007 000 668).
  • FIG. 2 shows the basic subdivision into an electrical area 14a and a mechanical area 14b.
  • the rotor body 14 there should be enough axial pressure in the teeth between the layers of the sheets to guarantee the homogeneity of the body.
  • the axial pressure should be higher than in the electrical region 14a in order to obtain a certain frictional force between the metal sheets.
  • the pressure plate is divided radially into a separate inner pressure plate and a separate outer pressure plate in accordance with the radial subdivision of the rotor plate body.
  • a first embodiment of the invention is characterized in that the inner and outer pressure plate are detachably connected to each other. As a result, the centrifugal forces acting on the outer pressure plate can be effectively absorbed.
  • Another embodiment is characterized in that the inner and outer pressure plate are adjacent to each other and connected to each other, that the outer pressure plate can be tilted relative to the inner pressure plate.
  • the outer pressure plate is divided along the circumference into individual similar peripheral parts, when the peripheral parts of the outer pressure plate each with a straight tilting edge adjacent to the inner pressure plate, and if the peripheral parts of the outer pressure plate respectively into the inner pressure plate are hung.
  • the peripheral parts of the outer pressure plate may each be hung by means of hammer claws in the inner pressure plate.
  • a further embodiment of the invention is characterized in that the inner pressure plate has first holes through which pass first bolts for pressing the rotor body in the mechanical range, and that the outer pressure plate has second holes through which second bolts for pressing the rotor body in the electrical field through rich.
  • first pin as a shear pin and the second pin are designed as tension bolts.
  • FIG. 1 in a highly simplified representation of a section of a
  • Rotor laminated body of the machine of Fig. 1 including a for clamping the rotor body used press plate;
  • Fig. 3 in plan view in the axial direction of a sector of a press plate for bracing the rotor body according to an embodiment of the invention.
  • the axial pressure should be higher than in the electrical part in order to obtain a certain frictional force between the sheets.
  • Fig. 3 shows a schematic representation of an embodiment of the pressing plate 19 in plan view in the axial direction.
  • the pressure plate 19 is divided into a separate inner pressure plate 23 and a separate outer pressure plate 24 both in the radial direction and partially in the circumferential direction.
  • the inner pressure plate 23 may be solid or composed of a plurality of thin plates according to a complementary embodiment. It has proved to be particularly advantageous, the thin sheets individually or in groups in the circumferential direction to each other to arrange staggered. Such a blending of the inner pressure plate 23 forms a self-supporting ring, whereby the forces on the shear pins can be significantly reduced.
  • the outer pressing plate 24 is in turn divided circumferentially into individual peripheral parts 24a-d, which are preferably made of a non-magnetic steel.
  • the separation between the outer and inner pressure plates 23 and 24 must have a straight tilting edge 29. Due to the radial separation of the pressure plate 19, it is possible to achieve different pressures in the electrical and mechanical region 14a and 14b of the rotor lamination body 14. In order to secure the outer pressure plate 24 against centrifugal forces, it is mounted as shown in FIG. 3 via hammer claws 26 in the inner pressure plate 23.
  • the tension bolts 21 extend through the holes 27 in the pressure plate 19 over the entire axial length of the rotor plate body 14. Since the tension bolts 21 are in the magnetically active part (high magnetic induction) of the sheet metal body, they must be electrically insulated. However, in order to avoid a mechanical stress on the insulation, these bolts can not be subjected to shearing. By means of the tension in the bolt, the pressure on the outer pressure plate 24 and thus the pressure in the teeth can be "adjusted". Instead of continuous draw bolt 21 but also pressure pin in Hilfsrim 20 can be used. If a pressure pin is used in the auxiliary rim 20, the pressure is transmitted to the tooth region of the rotor laminating body 14. Between the pressure pin and the pressure plate 19 there is a pressure plate and a nut. Through the screwing of the
  • the shear pins 22 take on two tasks. On the one hand, they serve to apply the axial pressure in the mechanical region 14b of the
  • Rotor plate body 14 On the other hand, they must absorb the shear forces occurring between the sheets. For this reason, the bolts can not be insulated and are consequently located on the inner edge, in the magnetically weak part of the rotor body 14.

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Abstract

Die Erfindung betrifft eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere doppelt gespeiste Asynchronmaschine im Leistungsbereich zwischen 20 und 500 MVA, welche einen um eine Achse drehenden, von einem Stator konzentrisch umgebenen Rotor umfasst, wobei der Rotor einen aus geschichteten und in axialer Richtung unter Einsatz einer Pressplatte (19) zu einem Verbund verpressten Blechen aufgebauten Rotorblechkörper (14) aufweist, der in radialer Richtung in einen inneren mechanischen Bereich (14b) und einen äusseren elektrischen Bereich (14a) unterteilt ist, und in dem im elektrischen Bereich (14a) eine Rotorwicklung (18) untergebracht ist. Bei einer solchen Maschine wird die axiale Verspannung des Rotorblechkörpers dadurch optimiert, dass die Pressplatte (19) entsprechend der radialen Unterteilung des Rotorblechkörpers (14) radial unterteilt ist in eine separate innere Pressplatte und eine separate äussere Pressplatte.

Description

BESCHREIBUNG
ROTIERENDE ELEKTRISCHE MASCHINE, INSBESONDERE DOPPELT GESPEISTE ASYNCHRONMASCHINE IM LEISTUNGSBEREICH ZWISCHEN 20
MVA UND ÜBER 500 MVA
TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf das Gebiet der Erzeugung elektrischer Energie Sie betrifft eine rotierende elektrische Maschine, insbesondere doppelt gespeiste Asynchronmaschine in einem Leistungsbereich zwischen 20 MVA und 500 MVA oder darüber, gemäss dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
STAND DER TECHNIK
Doppelt gespeiste Asynchronmaschinen im Leistungsbereich von 20 MVA bis 500 MVA oder darüber können zur drehzahlvariablen Energieproduktion eingesetzt werden. Diese Maschinen zeichnen sich durch eine verteilte Dreiphasenwicklung auf dem Rotor aus. Die Rotorwicklung besteht aus einzelnen Stäben, welche im Rotorblechpaket in Nuten eingebettet sind. Im Wickelkopf werden die einzelnen Stäbe zu einer Wicklung verschaltet. Die Einspeisung der Ströme erfolgt über mindestens drei Schleifringe, welche am Ende der Maschine an der Welle befestigt sind. Ein Ausschnitt aus einer solchen Maschine ist in Fig. 1 in stark vereinfachter Form wiedergegeben. Die in Fig. 1 dargestellte Asynchronmaschine
10 hat eine Maschinenachse 13. Um diese Achse 13 drehbar ist ein Zentralkörper
1 1 mit einer Welle, auf der die Schleifringe 12 angeordnet sind. Um den Zentralkörper 1 1 herum ist der Rotorblechkörper 14 angeordnet, an den unterhalb eines Wickelkopfes 16 der Rotorwicklung ein Hilfsrim 20 anschliesst. der Rotorblechkörper 14 ist von einem Statorblechkörper 15 konzentrisch umgeben, in dem eine Statorwicklung untergebracht ist, die am Ende des Körpers mit einem Statorwickelkopf 17 nach aussen vorsteht. Der Rotorblechkörper 14 ist in Fig. 2 im Ausschnitt vergrössert wiedergegeben.
Da die Rotoren von doppelt gespeisten Asynchronmaschinen eine Rotorwicklung 18 tragen, muss diese gegen die auftretenden Zentrifugalkräfte gesichert werden. Das Rotorblechpaket dient zum einen der Aufnahme dieser Kräfte und definiert zugleich den Weg des magnetischen Flusses. Das Hilfsrim 20 dient der Aufnahme der Zentrifugalkräfte die auf den Rotorwickelkopf 16 einwirken. Das Hilfsrim 20, wie auch der Rotorblechkörper 14, bestehen aus geschichteten Blechen, welche in axialer Richtung zu einem Verbund gepresst werden. Es ist bekannt, hierbei eine Pressplatte 19 einzusetzen, die den durch Bolzen 21 , 22 aufgebrachten Pressdruck auf die Bleche des Rotorblechpakets verteilt (siehe z.B. die DE-A1 - 195 13 457 oder die DE-A1 -10 2007 000 668).
Verschiedene Ansprüche werden an den Rotorblechkörper 14 gestellt. In Fig. 2 ist die prinzipielle Unterteilung in einen elektrischen Bereich 14a und einen mechanischen Bereich 14b dargestellt. Einerseits soll in den Zähnen genügend axialer Druck zwischen den Schichten der Bleche bestehen um die Homogenität des Körpers zu garantieren. Um Vibrationen zu vermeiden, dürfen sich die
Schichten nicht lockern, da Relativbewegungen zwischen den Zähnen und der Rotorwicklung 18 die Isolation beschädigen könnten. Andererseits darf der Druck nicht zu hoch sein, um Schaden an den Isolationsschichten zwischen den einzelnen Blechen zu vermeiden, da solche Schäden zu erhöhten Verlusten führen würden. Im mechanischen Bereich 14b des Rims soll der axiale Druck höher sein, als im elektrischen Bereich 14a, um eine gewisse Reibkraft zwischen den Blechen zu erhalten.
DARSTELLUNG DER ERFINDUNG
Es ist daher Aufgabe der Erfindung, eine elektrische Maschine der eingangs genannten Art so zu verbessern, dass die unterschiedlichen Anforderungen an die Verspannung des Rotorblechkörpers in den unterschiedlichen Bereichen erheblich besser erfüllt werden können.
Die Aufgabe wird durch die Gesamtheit der Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Wichtig für die erfindungsgemässe Lösung ist, dass die Pressplatte entsprechend der radialen Unterteilung des Rotorblechkörpers radial unterteilt ist in eine separate innere Pressplatte und eine separate äussere Pressplatte. Durch die Auftrennung der Pressplatte entsprechend den unterschiedlichen Bereichen des Rotorblechkörpers können die auf den Rotorblechkörper wirkenden Kräfte getrennt optimiert werden.
Eine erste Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äussere Pressplatte miteinander lösbar verbunden sind. Hierdurch können die an der äusseren Pressplatte angreifenden Zentrifugalkräfte wirksam aufgefangen werden.
Eine andere Ausgestaltung zeichnet sich dadurch aus, dass die innere und äussere Pressplatte derart aneinander grenzen und miteinander verbunden sind, dass die äussere Pressplatte gegenüber der inneren Pressplatte gekippt werden kann. Insbesondere ist es dabei von Vorteil, wenn die äussere Pressplatte entlang dem Umfang in einzelne gleichartige Umfangsteile unterteilt ist, wenn die Umfangsteile der äusseren Pressplatte jeweils mit einer geraden Kippkante an die innere Pressplatte angrenzen, und wenn die Umfangsteile der äusseren Pressplatte jeweils in die innere Pressplatte eingehängt sind.
Vorzugsweise können die Umfangsteile der äusseren Pressplatte jeweils mittels Hammerklauen in die innere Pressplatte eingehängt sein.
Eine weitere Ausgestaltung der Erfindung ist dadurch gekennzeichnet, dass die innere Pressplatte erste Löcher aufweist, durch welche erste Bolzen zum Verpressen des Rotorblechkörpers im mechanischen Bereich hindurchreichen, und dass die äussere Pressplatte zweite Löcher aufweist, durch welche zweite Bolzen zum Verpressen des Rotorblechkörpers im elektrischen Bereich hindurchreichen.
Dabei ist es von Vorteil, wenn die ersten Bolzen als Scherbolzen und die zweiten Bolzen als Zugbolzen ausgebildet sind.
KURZE ERLÄUTERUNG DER FIGUREN
Die Erfindung soll nachfolgend anhand von Ausführungsbeispielen im Zusammenhang mit der Zeichnung näher erläutert werden. Es zeigen
Fig. 1 in einer stark vereinfachten Darstellung einen Ausschnitt aus einer
Asynchronmaschine, wie sie zur Anwendung der Erfindung geeignet ist;
Fig. 2 in einem vergrösserten Ausschnitt den Aufbau des
Rotorblechkörpers der Maschine aus Fig. 1 einschliesslich einer zum Verspannen des Rotorblechkörpers eingesetzten Pressplatte; und
Fig. 3 in der Draufsicht in axialer Richtung einen Sektor einer Pressplatte zum Verspannen des Rotorblechkörpers gemäss einem Ausführungsbeispiel der Erfindung.
WEGE ZUR AUSFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Wie bereits eingangs erwähnt, soll einerseits in den Zähnen genügend axialer Druck zwischen den Schichten der Bleche bestehen, um die Homogenität des Körpers zu garantieren. Um Vibrationen zu vermeiden, dürfen sich die Schichten nicht lockern, da Relativbewegungen zwischen den Zähnen und der Rotorwicklung die Isolation beschädigen könnten. Andererseits darf der Druck nicht zu hoch sein, um Schaden an den Isolationsschichten zwischen den einzelnen Blechen zu vermeiden, da solche Schäden zu erhöhten Verlusten führen würden. Im mechanischen Bereich des Rims soll der axiale Druck höher sein als im elektrischen Teil, um eine gewisse Reibkraft zwischen den Blechen zu erhalten.
Diese sich widersprechenden Anforderungen an den elektrischen und mechanischen Teil des Statorblechkörpers 14 können durch eine radial getrennte Pressplatte 19 erreicht werden. Fig. 3 zeigt eine schematische Darstellung eines Ausführungsbeispiels der Pressplatte 19 in der Draufsicht in axialer Richtung. Die Pressplatte 19 ist sowohl in radialer Richtung als auch teilweise in Umfangsrichtung unterteilt in eine separate innere Pressplatte 23 und eine separate äussere Pressplatte 24. Die innere Pressplatte 23 kann sowohl massiv ausgebildet sein als auch gemäss einer ergänzenden Ausführungsart aus einer Mehrzahl dünner Bleche zusammengesetzt sein. Dabei hat es sich als besonders vorteilhaft erwiesen, die dünnen Bleche einzeln oder gruppenweise in Umfangsrichtung zueinander versetzt anzuordnen. Eine derartige Verschichtung der inneren Pressplatte 23 bildet einen sich selbst tragenden Ring aus, womit die Kräfte auf die Scherbolzen massgeblich reduziert werden können. Die äussere Pressplatte 24 ist ihrerseits in Umfangsrichtung unterteilt in einzelne Umfangsteile 24a-d, welche vorzugsweise aus einem nichtmagnetischen Stahl bestehen. Durch die der Aufteilung des Rotorblechkörpers 14 in einen mechanischen Bereich 14b und einen elektrischen Bereich 14a folgende Unterteilung der Pressplatte 19 in einen inneren und mehrere äussere Teile 23 bzw. 24a-d kann für die unterschiedlichen Bereiche des Rotorblechkörpers die Art und Weise der axialen Verspannung getrennt optimiert werden.
Um ein gezieltes Kippen der äusseren Pressplatte 24 erreichen zu können, muss die Trennung zwischen der äusseren und inneren Pressplatte 23 bzw. 24 eine gerade Kippkante 29 aufweisen. Durch die radiale Trennung der Pressplatte 19 ist es möglich, unterschiedliche Drücke im elektrischen und mechanischen Bereich 14a bzw. 14b des Rotorblechkörpers 14 zu erreichen. Um die äussere Pressplatte 24 gegen Zentrifugalkräfte zu sichern, ist sie gemäss Fig. 3 über Hammerklauen 26 in der inneren Pressplatte 23 eingehängt.
Um den gewünschten axialen Druck im Rotorblechkörper 14 aufzubauen, werden Scher- und Zugbolzen 22 bzw. 21 eingesetzt. Die Zugbolzen 21 verlaufen durch die Löcher 27 in der Pressplatte 19 hindurch über die gesamte axiale Länge des Rotorblechkörpers 14. Da sich die Zugbolzen 21 im magnetisch aktiven Teil (hohe magnetische Induktion) des Blechkörpers befinden, müssen sie elektrisch isoliert sein. Um eine mechanische Beanspruchung der Isolation zu vermeiden, können diese Bolzen allerdings nicht auf Scherung beansprucht werden. Über die Spannung im Bolzen kann der Druck auf die äussere Pressplatte 24 und damit der Druck in den Zähnen „eingestellt" werden. Anstelle von durchgängigen Zugbolzen 21 können aber auch Druckbolzen im Hilfsrim 20 verwendet werden. Wird ein Druckbolzen im Hilfsrim 20 verwendet, geschieht die Druckübertragung auf den Zahnbereich des Rotorblechkörpers 14. Zwischen Druckbolzen und Pressplatte 19 befinden sich eine Druckplatte und eine Mutter. Durch die Einschraubtiefe des
Bolzens in der Mutter kann der Druck auf die Pressplatte 19 und somit auf die Zähne „eingestellt" werden.
Die Scherbolzen 22 übernehmen zwei Aufgaben. Zum einen dienen sie dem Aufbringen des axialen Drucks im mechanischen Bereich 14b des
Rotorblechkörpers 14. Zum Anderen müssen sie die zwischen den Blechen auftretenden Scherkräfte aufnehmen. Aus diesem Grund können die Bolzen nicht isoliert sein und befinden sich konsequenter Weise am inneren Rand, im magnetisch schwach genutzten Teil des Rotorblechkörpers 14.
BEZUGSZEICHENLISTE
10 Asynchronmaschine
1 1 Zentralkörper (mit Welle)
12 Schleifring
13 Achse
14 Rotorblechkörper
14a elektrischer Bereich
14b mechanischer Bereich
15 Statorblechkörper
16 Rotorwickelkopf
17 Statorwickelkopf
18 Rotorwicklung
19 Pressplatte
20 Hilfsrim
21 Zugbolzen
22 Scherbolzen
23 innere Pressplatte
24 äussere Pressplatte
24a-d Umfangsteil
25,27 Loch
26 Hammerklaue
28 Zahn
29 Kippkante

Claims

PATENTANSPRÜCHE
1. Rotierende elektrische Maschine, insbesondere doppelt gespeiste Asynchronmaschine (10) im Leistungsbereich zwischen 20 MVA und über 500 MVA, welche einen um eine Achse (13) drehenden, von einem Stator (15, 17) konzentrisch umgebenen Rotor (1 1 , 14) umfasst, wobei der Rotor (11 , 14) einen aus geschichteten und in axialer Richtung unter Einsatz einer Pressplatte (19) zu einem Verbund verpressten Blechen aufgebauten Rotorblechkörper (14) aufweist, der in radialer Richtung in einen inneren mechanischen Bereich (14b) und einen äusseren elektrischen Bereich (14a) unterteilt ist, und in dem im elektrischen Bereich (14a) eine Rotorwicklung (18) untergebracht ist, dadurch gekennzeichnet, dass die Pressplatte (19) entsprechend der radialen Unterteilung des Rotorblechkörpers (14) radial unterteilt ist in eine separate innere Pressplatte (23) und eine separate äussere Pressplatte (24).
2. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 1 , dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äussere Pressplatte (23 bzw. 24) miteinander lösbar verbunden sind.
3. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 2, dadurch gekennzeichnet, dass die innere und äussere Pressplatte (23 bzw. 24) derart aneinander grenzen und miteinander verbunden sind, dass die äussere Pressplatte (24) gegenüber der inneren Pressplatte (23) gekippt werden kann.
4. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die äussere Pressplatte (24) entlang dem Umfang in einzelne gleichartige Umfangsteile (24a-d) unterteilt ist, dass die Umfangsteile (24a-d) der äusseren Pressplatte (24) jeweils mit einer geraden Kippkante (29) an die innere Pressplatte (23) angrenzen, und dass die Umfangsteile (24a-d) der äusseren Pressplatte (24) jeweils in die innere Pressplatte (23) eingehängt sind.
5. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 4, dadurch gekennzeichnet, dass die Umfangsteile (24a-d) der äusseren Pressplatte (24) jeweils mittels Hammerklauen (26) in die innere Pressplatte (23) eingehängt sind.
6. Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Pressplatte (23) erste Löcher (25) aufweist, durch welche erste Bolzen (22) zum Verpressen des Rotorblechkörpers (14) im mechanischen Bereich (14b) hindurchreichen, und dass die äussere Pressplatte (24) zweite Löcher (27) aufweist, durch welche zweite Bolzen (21 ) zum Verpressen des Rotorblechkörpers (14) im elektrischen Bereich (14a) hindurchreichen.
7. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass die ersten Bolzen (22) als Scherbolzen und die zweiten Bolzen (21 ) als Zugbolzen ausgebildet sind.
8. Rotierende elektrische Maschine nach einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, dass die innere Pressplatte (23) aus einer Mehrzahl von Blechen zusammengesetzt ist.
9. Rotierende elektrische Maschine nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Bleche einzeln oder gruppenweise in Umfangsrichtung zueinander versetzt angeordnet sind.
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